(57)【要約】  特にターボ機械構成部品である冷却される機械構成部品は、本体の内部を通じて冷却流体を案内するための少なくとも1つの一体化された冷却経路(40)を伴う本体(2)を備え、冷却経路は、複数の中空の支柱(30')によって貫かれ、任意選択で複数の中実の支柱(30")によって貫かれた空所の空間(35)として構成される格子構造を備える。格子構造は、冷却流体を格子構造の空所の空間を通じて案内させるための少なくとも1つの入口(6)を備え、格子構造の空所の空間を通じて案内された冷却流体を受け入れるための、複数の中空の支柱のうちの少なくとも1つの中空の内部(32)に流体連結された少なくとも1つの出口(4)を備える。複数の中空の支柱のサブセットが、格子構造の空所の空間の少なくとも1つの出口から複数のさらなる下流の放出ポート(42)までの冷却流体のための流体連結を提供する。複数のさらなる下流の放出ポートの各々を包囲する本体の壁が、複数の中空の支柱のうちの少なくとも1つの対応するジャケット(33)に物理的に連結される。このような冷却される機械構成部品を、特に選択的レーザー焼結、選択的レーザー溶融、または電子ビーム溶融である付加製造技術を介して製造するための方法。
2019529790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にターボ機械構成部品である冷却される機械構成部品(1)であって、
本体(2)の内部を通じて冷却流体を案内するための、少なくとも1つの一体化された冷却経路(40)を伴った本体(2)を備え、前記冷却経路(40)は格子構造(25)を備え、
前記格子構造(25)は、
複数の中空の支柱(30')によって貫かれ、任意選択で複数の中実の支柱(30")によって貫かれた空所の空間(35)として構成され、
前記格子構造(25)の前記空所の空間(35)を通じて案内される前記冷却流体を提供するための、少なくとも1つの入口(6)を備え、
前記格子構造(25)の前記空所の空間(35)を通じて案内された前記冷却流体を受け入れるための、少なくとも1つの出口(4)であって、前記複数の中空の支柱(30')のうちの少なくとも1つの中空の内部(32)に流体連結された少なくとも1つの出口(4)を備え、
前記複数の中空の支柱(30')の少なくともサブセットが、前記格子構造(25)の前記空所の空間(35)の前記少なくとも1つの出口(4)から、複数のさらなる下流の放出ポート(42)までの、冷却流体のための流体連結を提供しており、
前記複数のさらなる下流の放出ポート(42)の各々を包囲した前記本体(2)の壁が、前記複数の中空の支柱(30')のうちの前記少なくとも1つの対応するジャケット(33)に物理的に連結され、
前記複数の中空の支柱(30')のサブセットの各々が、端面(23)に対して垂直、または前記端面(23)に対する垂直方向から45°の最大の偏向のいずれかで配置される、冷却される機械構成部品(1)。
【請求項２】
前記本体(2)の端面(23)をさらに備え、
前記端面(23)は、動作中、前記冷却流体の第2の温度より高い第1の温度に曝され得る、請求項1に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項３】
前記少なくとも1つの出口(4)から、前記複数の中空の支柱(30')のうちの前記少なくとも1つの前記中空の内部(32)への流体連結は、前記少なくとも1つの出口(4)をプレナム室(36)へと連結することによって提供され、前記プレナム室(36)は、前記複数の中空の支柱(30')のうちの前記少なくとも1つの前記中空の内部(32)にさらに連結されることを特徴とする、請求項1または2に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項４】
前記本体(2)と前記格子構造(25)とは、共通の材料から構築された単一部品であることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項５】
前記複数の中空の支柱(30')と、前記複数の中実の支柱(30")と、前記本体(2)と、は付加製造技術、特に選択的レーザー焼結、選択的レーザー溶融、または電子ビーム溶融を介して生成されることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項６】
前記複数の中空の支柱(30')および前記複数の中実の支柱(30")の少なくともサブセットの各々が、棒形状に構成されることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項７】
前記複数の中空の支柱(30')の少なくともサブセットの各々には、前記空所の空間(35)と前記中空の内部(32)との間で、そのジャケット(33)内に開口がないことを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項８】
前記少なくとも1つの入口(6)の位置と前記少なくとも1つの出口(4)の位置とが、前記空所の空間(35)を通る主進行方向(43)を定め、
前記複数の中空の支柱(30')の少なくともサブセットが、前記空所の空間(35)を通る前記冷却流体の前記主進行方向(43)に対して略側方に配向されることを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項９】
前記中実の支柱(30")の少なくとも第1のサブセットの各々が、前記中空の支柱(30')のうちの隣接するもの、特に前記中空の支柱(30')のうちの交差するものに対して斜めにされることを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項１０】
前記複数の中空の支柱(30')と前記複数の中実の支柱(30")とは、周期的な構造を定めることを特徴とする、請求項1から9のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項１１】
前記空所の空間(35)の領域において、中実材料の体積と前記格子構造(25)の中空体積との間の割合は、0.3から2.5の間であり、特に0.4から2.0の間であることを特徴とする、請求項1から10のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項１２】
前記本体(2)は複数の区間(41)を含み、各々の区間(41)は、前記少なくとも1つの一体化された冷却経路(40)の単一の冷却経路を提供し、該冷却経路は、さらなる区間(41)に位置した前記少なくとも1つの一体化された冷却経路(40)のさらなる冷却経路から流体的に分離されていることを特徴とする、請求項1から11のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項１３】
前記区間(41)の各々は複数の放出ポート(42)を備え、特に各々の放出ポート(42)には、前記複数の中空の支柱(30')のうちの1つだけから冷却流体が提供されることを特徴とする、請求項12に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項１４】
冷却される機械構成部品(1)の製造のための方法であって、
請求項1から13のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)を、付加製造技術、特に選択的レーザー焼結、選択的レーザー溶融、または電子ビーム溶融を介して単一部品の構成部品として生成するステップを含む方法。
【請求項１５】
請求項1から13のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)の動作の方法であって、
冷却流体を前記少なくとも1つの入口(6)に提供し、これにより冷却流体が前記空所の空間(35)を通じて案内され、そのために前記複数の中空の支柱(30')が対流冷却によって作用させられるステップを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、機械構成部品の特定の内部中空構造を介して高温表面が冷却され得る機械構成部品、詳細には、ガスタービン構成部品または任意のターボ機械構成部品、さらにより詳細には、ガスタービンの燃焼器またはバーナの構成部品に関する。さらに、本発明は、このような構成部品を製造するための方法と、このような構成部品の運用の方法と、に関する。
【背景技術】
【０００２】
他の回転機械またはターボ機械などのガスタービンエンジンは、高い温度を動作中に受ける区域を備えている。他の機械も高い温度を受けるが、詳述した解決策の利点を説明することへの注力は、純粋に例示でガスタービン燃焼器について、以下において説明されている。しかしながら、提案された解決策は、冷却を必要とするすべての種類の機械構成部品、特に材料が熱伝達を提供できる金属または合金から作られた機械に、適用可能である。
【０００３】
ここでガスタービンに注目すると、ガスタービンエンジンでは、典型的には概ね低温の流体としての周囲空気が、圧縮機区域によって圧縮されて燃焼器へと提供され、燃焼器では、実質的に低温の流体(圧縮空気の温度は摂氏数百度であり得るが、ガスタービンエンジンの燃焼器内の作動条件より低温であり得る)が、続くタービン区域に駆動力を提供するために燃料と共に燃焼され、タービン区域では、燃焼器からの高温の流体が、ここでもシャフトを駆動するためにタービンの動翼を駆動する。
【０００４】
燃焼器では、または燃焼器を過ぎた下流区域では、高い温度が、ガスタービンエンジンを通じて高温流体を案内している構成部品において生じ得る。温度は1,500℃か、さらに高くなる可能性がある。それにも拘らず、ガスタービンエンジンで典型的に使用される材料は、800℃を上回る温度に耐えることができない。そのため、これらの構成部品は冷却される必要があり得るか、または特定の被覆が構成部品を保護するために必要とされる。冷却は、圧縮機からの空気または流体の一部が抽出され、つまり主要な流体の経路から分岐され、冷却される必要がある構成部品へと案内されるように実施され得る。そのため冷却は、例えば衝突冷却、膜冷却、しみ出し冷却、蒸散冷却、および/または対流冷却といった様々な方策によって、冷却される部品において実施され得る。
【０００５】
他方で、冷却の機能の提供はガスタービンエンジンの効率を低下させる。そのため、効率が低下することなく最大化されるように、冷却をできるだけ制限することが目標である。しかし、構成部品の寿命は、予測される温度の高さを上回る温度を構成部品が受けないことに大きく依存することを理解されたい。
【０００６】
構成部品が受ける温度の高さは、エンジン内の様々な場所において異なる可能性がある。例えば、内筒壁の上流領域は、同じ内筒の下流領域より高い温度を受ける可能性がある。ガスタービンにおける最も高温の領域は燃焼器に位置する。
【０００７】
概して、ガスタービンエンジンにおいて冷却される構成部品は、実質的に燃焼室、タービン区域、および尾筒、つまり燃焼室とタービン区域との間に位置する移行ダクト内の部品である。
【０００８】
他の種類の機械は、異なる場所において熱を受け得るが、冷却に対する同様の必要性が同じく存在し得る。それ自体空気の流れを発生させない機械では、可及的にファンまたは圧縮機が、冷却のために使用され得る空気流を提供するために必要とされ得る。
【０００９】
特許文献１によれば、構成部品の壁の内側に形成された導管で構築された格子構造が知られている。例では、空気流を案内するために、埋め込まれた複雑な通路構造を伴う複雑な機械的構造が開示されている。膜孔が高温の外面に存在し得る。高温の外面から離れた入口孔が、筒状の支柱として形成され得る。高温の外面への出口孔が、膜冷却効果を形成するために湾曲され得る。
【００１０】
効果的な冷却を提供する特定の冷却機構を提供することが目的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第2014/105108号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、特にガスタービンエンジンの燃焼器または冷却を必要とする他の種類の機械に使用可能な、向上した冷却の解決策を求めている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的は独立請求項によって達成される。従属請求項は、本発明の有利な発展および改良を記載している。
【００１４】
本発明によれば、例えばガスタービンの燃焼器のようなガスタービン構成部品といった、特にターボ機械構成部品である冷却される機械構成部品が提供される。冷却される機械構成部品は、本体の内部を通じて冷却流体を案内するための、少なくとも1つの一体化された冷却経路を伴う本体を備え、冷却経路は格子構造を備える。本体は、例えば金属または合金から作られた、好ましくは熱伝導要素である。本体は、好ましくは実質的に中実であるが、中空の領域を伴う。
【００１５】
格子構造は、部分的に固体で部分的に中空である領域を定める。より詳細には、格子構造は、複数の中空の支柱によって貫かれた空所の空間として配置される。任意選択で、空所の空間は複数の中実の支柱によって追加的に貫かれる。加えて、格子構造は、冷却流体を格子構造の空所の空間を通じて案内させるための少なくとも1つの入口を備え、格子構造の空所の空間を通じて案内された冷却流体を受け入れるための、複数の中空の支柱のうちの少なくとも1つの中空の内部に流体連結された、少なくとも1つの出口を備える。複数の中空の支柱の少なくともサブセットが、格子構造の空所の空間の少なくとも1つの出口から複数のさらなる下流の放出ポートまでの冷却流体のための流体連結を提供する。複数のさらなる下流の放出ポートの各々を包囲する本体の壁が、複数の中空の支柱のうちの少なくとも1つの対応するジャケットに物理的に連結される。複数の中空の支柱のサブセットの各々が、端面に対して垂直、または、端面に対する垂直方向から45°の最大の偏向のいずれかで配置される。
【００１６】
これは、動作中、冷却流体が少なくとも1つの入口を介して格子構造へと提供され、格子内で中空の支柱および任意選択の中実の支柱の外皮表面に沿って通過し、この先では、冷却流体が少なくとも1つの出口によって集められると、同じ中空の支柱の内部を通じて案内され得ることを意味する。これは、中空の支柱の中実部分が、1回は外側からおよび1回は内側からの、2回冷却されることを意味する。中実の支柱および中空の支柱を介して確立される冷却は、特に対流冷却であり得る。
【００１７】
中空の支柱のジャケットが本体の壁の高温の表面に直接的に連結されるため、熱は高温の表面からジャケットに沿って本体の主要領域へと案内され、冷却経路を最も効果的にさせることができる。中空の支柱のジャケットが本体の最も高温の部分に連結され、中空の支柱が2つの冷却手段、すなわちジャケットの内側の冷却と外側の冷却とで可能とされるため、熱はいくらか本体へと引っ張り込まれる。
【００１８】
したがって、格子構造は、冷却流体が案内可能に通る流体システムの一部である。格子構造の空所は、特に冷却流体が進んでいかない「行き止まり領域」を有することなく、冷却流体が格子構造を通じて入口から出口へと流れることができるように構成される。
【００１９】
支柱は、本体の残りの部分からの熱が支柱へと伝達され、そのため冷却流体が支柱の高温の表面に「衝突」できるように、本体の残りの部分に熱的に結合される。好ましくは、支柱は本体と完全に一体化される。特に支柱、つまりそのジャケットの材料は、本体の高温の表面側に連結される。
【００２０】
「冷却される機械構成部品」であれば、動作中に冷却される機械構成部品が定義される。したがって、機械構成部品は、先に説明しており、以下の段落においても説明しているような冷却特徴部を備える。
【００２１】
機械構成部品は、第1の区域、第2の区域、および第3の区域を伴う本体を備える構造とされ得る。第1の区域は熱放射の発生源に隣接し得る。熱放射の元々の発生源は、燃焼室または火炎など、好ましくは本体の外部に位置する。第1の区域は機械構成部品の端面も備え得る。第2の区域は、第1の区域に隣接する格子構造を定め得る。第3の区域は、熱放射の発生源から離すように配向される機械構成部品の区域である。第3の区域は、第1の区域の温度と比較してより低い温度の領域に位置し得る。第1の区域、第2の区域、および第3の区域は、好ましくは互いと一体に形成され、つまりそれら区域は単一品または一体品である。それら区域は一体化した物体の一部分である。好ましくは、それら区域は同じ材料から作られてもいる。
【００２２】
端面は、動作中、冷却流体の第2の温度より高い第1の温度に曝され得る。これによって第1の区域を加熱すると、結果として、好ましくは金属または合金である同じ材料から作られた単一品であるため、熱が第2の区域へと伝達し、さらには第3の区域へと伝達する。本発明に反して冷却のない場合、熱源が時間において長期間にわたって本体に熱的に作用する場合、3つの区域すべてが同じ温度の高さの材料を実質的に有することになる。ここで本発明によれば、冷却流体が第2の区域において主に提供され、したがって第2の区域を冷却し、これは結果として第1の区域の隣接する材料も冷却する。第2の区域で適用された冷却を伴う第3の区域は、第2の区域が熱伝達のための障壁を実質的に定めるため、高い温度まで到達さえしない。
【００２３】
第2の区域は、第1の区域と第3の区域との間に位置し、好ましくは格子構造としての部分で形成される。このような格子構造は、一部が中空であって、任意選択で一部が中実である複数の棒形状の支柱と、複数の支柱によって貫かれた空所と、を備え、空所は、冷却流体が動作中に第2の区域の内部を通じて案内可能となるのに介される少なくとも1つの流体通路を提供する。
【００２４】
中空の支柱は各々第1の端を有し、第1の端は、第1の区域から第2の区域への熱伝達を提供するために第1の区域に連結される。
【００２５】
複数の中空の支柱のサブセットの各々が、端面に対して垂直、または、端面に対する垂直方向から45°の最大の偏向のいずれかで配置される。これは、中空の支柱が端面に対して任意選択で斜めにされ得ることを意味する。これは、ユークリッドのベクトルとしての中空の支柱の配向を定義する場合、ベクトルのより大きいベクトル成分が端面の垂線と平行に方向付けられ、ベクトルのより小さいベクトル成分が端面と平行な方向にあることを意味する。好ましくは、端面を貫く孔が、膜冷却効果が回避されるように、端面に対して実質的に垂直または斜めとなる。
【００２６】
中空の支柱について先の段落で説明したような同じ構成が、中実の支柱にも適用できる。代替で、1つの中実の支柱は、1対の隣接する中空の支柱の間の横棒または斜めの棒のような、任意の可能な角度で1つの中空の支柱に連結できる。
【００２７】
中空の支柱に戻って、先に述べたように、複数の中空の支柱の少なくともサブセットが、格子構造の空所の空間の少なくとも1つの出口から、複数のさらなる下流の放出ポートまでの冷却流体のための流体連結を提供する。さらに、複数の中空の支柱の別のサブセットが、格子構造の空所の空間の少なくとも1つの出口からさらなる下流の冷却流体通路までの冷却流体のための流体連結を好ましくは提供できる。冷却流体通路は、本体の先に紹介した第1の区域、つまり構成部品の高温領域に位置し得る。放出ポートは、本体の端面、つまり外部熱源によって作用される表面を穿孔してもよい。
【００２８】
冷却流体通路は、両方が軸方向で配置されるように中空の支柱の直接的な連結であり得る。中空の支柱と下流の冷却流体通路または放出ポートとの間に1対1の関係があってもよい。
【００２９】
ここまで、格子構造の少なくとも1つの出口と中空の支柱の内部との間の連結は、詳細に説明していない。実施形態では、少なくとも1つの出口から、複数の中空の支柱のうちの少なくとも1つの中空の内部への流体連結は、少なくとも1つの出口をプレナム室へと連結することによって提供され、プレナム室は、複数の中空の支柱のうちの少なくとも1つの中空の内部にさらに連結される。
【００３０】
構造的に、プレナム室は格子構造と実質的に並行であり得る。さらに、流れ方向に関して、プレナム室を通じた流れ方向は、格子構造の空所を通じた流れと反対の方向において実質的に配向され得る。
【００３１】
すべての流体案内構成部品、つまり格子構造の入口、格子構造の空所、格子構造の出口、プレナム(存在する場合)、および中空の支柱の内部は、上流の供給経路ならびに下流の通路および/または放出ポートと一体に、1つだけの流体システムとして考えることができる。
【００３２】
両方とも共通して支柱と呼ばれ得る、中空および中実の支柱である支柱の少なくともサブセット、またはすべての支柱さえもが、好ましくは棒形状とされる。この形での支柱はパイロンとも呼ばれ得る。支柱は円柱状であってもよい。支柱は、少なくとも一部において、特に円の筒状または楕円の筒状である筒状であり得る。これらの構成は、冷却流体が支柱をそれらの周囲面から冷却するために、それぞれの支柱の周辺全体に沿って通過することができるため、有益である。また、前述したように、支柱のサブセットまたは全部が、冷却流体を中空の支柱の内側に沿って案内することで支柱をさらにより冷却するために、中空の支柱として構成される。
【００３３】
複数の中空の支柱の少なくともサブセットの各々が、空所の空間と中空の内部との間で、そのジャケット、つまりその外被、周囲表面、または境界壁において、開口がなくてもよい。結果として、冷却流体のための近道が作り出されず、つまり中空の支柱を通じた空所から中空の支柱の内部までの直接的な貫通孔が作り出されない。
【００３４】
支柱は冷却する支柱として作用する。高温の支柱は、冷却流体から冷却され、冷却する支柱の内面および/または外面に沿って案内される。中空の支柱は、「二重冷却される」構成部品と考えることができる。
【００３５】
本発明によれば、同じ冷却流体が、中空の支柱の外側に沿って案内され、のちに内側に沿って案内され得るため、例えば空気といった必要とされる冷却流体の量が小さくでき、冷却流体が冷却の点において無駄にされない。
【００３６】
支柱は、すべてまたは複数の支柱が連結される第1の区域からの上昇した温度が支柱を介して格子構造へと持っていかれるように、十分な熱伝導を提供する。支柱の内部の熱は、格子構造の空所を通じて通過する冷却流体によって、および、中空の支柱の内部を通る流れのため、運ばれ得る。複数の支柱によって貫かれるかまたは穿孔された空所が、流路を蛇行の形態で定める。冷却流体は、数多くの支柱を通過し、それによって格子構造を通じて曲がりくねって進み、機械構成部品の本体の第1の区域を冷却するための良好な熱伝達を提供する。
【００３７】
それにも拘らず、空所の空間を通る冷却流体の公称の流れ方向である主進行方向を定めることは可能である。少なくとも1つの入口の位置と少なくとも1つの出口の位置とが、空所の空間を通る主進行方向を定め得る。複数の中空の支柱の少なくともサブセットが、空所の空間を通る冷却流体の主進行方向に対して実質的に側方へ配向され得る。主進行方向は、本体の端面と実質的に並行であり得る。
【００３８】
プレナムを通る流れ方向は、空所の空間を通る主進行方向と実質的に反対であり得る。
【００３９】
格子構造は、本体の一部分である壁によって囲い込まれた複雑な空洞であり、空気または任意の種類の冷却流体が格子構造を通じて案内され得る。前述したように、支柱は格子構造において存在する。支柱は、周期的な構造を定めるなど、構造的な方法で配置され、つまり横列と縦列とで配置され、好ましくは格子パターンまたは千鳥で配置され得る。
【００４０】
代替で、支柱は、格子構造を通る冷却流体の複雑な流路を可能にする無秩序なパターンで配置されてもよい。
【００４１】
実施形態では、中実の支柱の少なくとも第1のサブセットの各々が、中空の支柱のうちの隣接するもの、特に中空の支柱のうちの交差するものに対して斜めにされ得る。そのため、中実の支柱は、中空の支柱に対して垂直の、または、中空の支柱に対して斜めの、中空の支柱のための横棒であり得る。1つの好ましい実施形態では、中実の支柱は、中空の支柱に対して、30°から60°の間、特に45°で斜めにされ得る。これは、冷却流体によって作用され得る数多くの表面を生成する格子のかなり網状とされた構成を作り出す。
【００４２】
複数の支柱が、例えば周期的といった、同様に配置された支柱構造のいくつかの集合または区間を有してもよい。一実施形態では、区間は、本体の壁によって分離された、別々の区画室に配置される流体的に独立した格子構造を定めてもよい。そのため、1つの冷却経路が第1の格子構造を通過する一方で、第2の冷却経路が第2の独立した格子構造を通過できる。したがって、これらは完全に独立した別々の流体システムであり得る。
【００４３】
区間の各々は複数の放出ポート、つまり端面を通る冷却流体のための排出ポートを好ましくは備え、特に各々の個別の放出ポートには、前記複数の中空の支柱のうちの1つだけから冷却流体が提供され、したがって中空の支柱と放出ポートとの1対1の関係を有する。
【００４４】
このような区間または区画室の各々は、それ自体専用の格子構造への入口および出口を有してもよい。機械構成部品が異なる領域において異なる高さの温度を受ける場合、同じく可及的に、異なる格子構造設計が、機械構成部品の区画室に沿っての予測される温度分布に従って適用され得る。
【００４５】
支柱についてより詳細に注目すると、格子構造の空所を通る流体通路は、少なくとも部分的に、中空の支柱の延在に対して実質的に斜めになっている。したがって、支柱は流体通路へと延び得る。中実の支柱は中実の筒として配置され得る。中空の支柱は中空の筒として配置され得る。追加または代替で、支柱は錐状の区域を少なくとも有してもよく、または完全に錐状であってもよい。このような設計では、錐体の最も幅広な断面積の部分が、第1の区域に連結するために第1の区域の方向において配置され得る。錐体は、支柱の錐体が中空とならないことを意味する中実構造であり得る。錐体は、2°から45°の間のその側面の角度によって定められ得る。好ましくは、角度の範囲は5°から30°の間である。角度は、錐体の回転軸と錐体の側面との間で取られる。角度は、厳密に言えば錐体の先端における内部角度であり得る。
【００４６】
支柱が、錐状の区域および筒状の区域の2つだけの区域を有する場合、錐体は、切頂された上部が段差なしで支柱の残りの部分の筒状の形態に合流し得る切頂の錐体として配置され得る。このような場合、錐状部分は支柱の全体長さの5〜50%であり得る。支柱の残りの部分は筒状であり得る。これは、第1の区域から、冷却流体が案内される格子構造への良好な熱伝達を可能にする。
【００４７】
好ましくは、複数の支柱の第1の集合の第1のサブセットと第2のサブセットとが千鳥で配置される。そのため、冷却空気は、向上された熱伝達が生じるように、支柱の連続した第1のサブセットと第2のサブセットとを通じて曲がりくねって進む必要がある。
【００４８】
支柱同士は、特に支柱の1つの集合が支柱の別の集合に対して斜めにされる場合、互いと交差するか、または平行な支柱同士は、支柱同士の間の横棒を介して連結され得る。これは、より良好な熱伝達をもたらす、および/または格子構造のより良好な安定性をもたらす。
【００４９】
ここでガスタービンエンジンにおける好ましい実施に注目すると、冷却される機械構成部品は、具体的には熱遮蔽体、動翼、または案内翼のようなガスタービン構成部品であり得るか、さらにより具体的には、内筒、バーナチップ、またはバーナ前面などのガスタービンの燃焼器またはバーナの構成部品であり得る。冷却流体は、好ましくは可及的にガスタービンエンジンの圧縮機から提供される空気であり得る。第1の区域は、例えば燃焼火炎が形成され得るといった、動作中に熱源が位置する中空の空間へと方向付けられる前面であり得る。
【００５０】
前述したように、本発明は、燃焼器の環境に曝される、つまり燃焼火炎の放射および/または対流の熱によって曝される燃焼器構成部品に、特に適用可能である。
【００５１】
隣接する構成部品が加熱されるように、例えば主火炎またはパイロット火炎のいずれかといった高温の火炎が対流熱および熱放射を作り出す場合、本発明は特に使用され得る。
【００５２】
ガスタービンの分野以外では、モータ、蒸気タービン、圧縮機、ポンプ、または金属加工産業において使用される構成部品を冷却するために、本発明は使用されてもよい。
【００５３】
さらに、本発明は、特に選択的レーザー焼結、選択的レーザー溶融、または電子ビーム溶融であって、つまりそれによって層ごとで単一の構成部品を構築する付加製造技術を介して、一体に形成された構成部品、つまり一体化した品または単一品の構成部品として先に定められたようなターボ機械構成部品を生成するステップを含む、冷却される機械構成部品の製造のための方法に関する。これらの付加製造技術によって、非常に複雑な格子構造が構築され得る。一体的に形成された構成部品は、適用された粉末が製作の間に溶融されて単一品に固化するように、前述した技術によって構築され得る。
【００５４】
製作された部品は、典型的には、共通の材料から構築された構成部品である。追加で製造された部品は、機械構成部品全体またはその一区域のみであり得るが、少なくとも格子構造の領域であり得るため、複数の中空の支柱、複数の中実の支柱、および本体は付加製造技術を介して生成されてもよい。
【００５５】
前述したように、格子構造は、好ましくは選択的レーザー焼結(SLS)または選択的レーザー溶融(SLM)などの付加製造技術によって生成され得る。代替的に、電子ビーム溶融(EBM)が使用されてもよい。これらの付加製造技術は、中実の本体への切断または穿設などの以前から知られている技術によって生成できない非常に複雑な構造を可能にするため、有利である。
【００５６】
特に、先に特定した3つの区域を含む全体で一体化された本体は、別のものと一体に形成され、支柱を含むことが、共通の付加製造工程によって構築され得る。結果として、本体は単一の製造方法だけによって構築される。したがって、区域は、別々に構築されることはなく、後のステップで結合されることもない。
【００５７】
第1の区域および第3の区域は、格子構造のための筐体であると考えることもできる。第1の区域および第3の区域は、支柱が連結され得る機械的構造体を提供でき、冷却流体が通過でき、格子構造を通じて案内されるように格子構造のための囲い込みを定め得る。第1の区域は、燃焼帯域への境界壁としても作用し得る。第3の区域は、例えば本体をさらなる構成部品に搭載するための、さらなる壁とできる。
【００５８】
端面は特に、高温が生じ得る空間の反対にある表面であり得る。これは特に、高温の燃焼がガスタービンエンジンの燃焼室の動作の間に実施されることになる燃焼帯域であり得る。これは、燃焼器の予混合帯域であってもよい。典型的な燃焼温度は1300℃から2000℃の間であり得る。このような上昇した温度は特定の冷却を必要とし得る。この冷却は、本発明によれば、冷却空気または冷却流体が案内され得る中空の支柱および任意選択の中実の支柱を伴う格子構造によって提供される。この冷却流体は特に、ガスタービンエンジンの燃焼器から抽出される空気であり得る。圧縮機の出口温度は350〜550℃であり得るが、当然ながら燃焼温度未満であり、そのため流体は、格子構造を通じて案内される場合に十分な冷却を提供するように、燃焼温度と比較してこのような低い温度を有する。
【００５９】
本体の材料における応力を低減するために、少なくとも中実の支柱は、それぞれの支柱の一端だけが第1の区域に連結される一方で、支柱の他端が、特に第3の区域に連結されないといった、さらなる連結のないように、準独立式の方法で配置され得る。
【００６０】
格子構造を伴う第2の区域を、体積の特定の割合が格子の中実部品によって使用されるが、本体の別の割合は格子の空所によって取られる本体として定めることができる。第1の区域および第3の区域の材料と第2の区域の他の壁とは、さらなる分析において検討されていない。1つの好ましい例として、空所と比較しての材料のこの使用は、実質的に等しくでき、つまり50%対50%であり得る。
【００６１】
別の例では、第2の区域における空所の中空の空間に対する、第2の区域における中実材料の体積割合は、0.3から2.5の間で、好ましくは0.4から2.0の間であり得る。
【００６２】
これらの異なる構成は、構成部品の特定の必要性のために適合され、格子構造を通じた冷却流体の圧力および処理量のために適合され得る。
【００６３】
特定の実施形態では、第2の区域における格子構造の空所の体積と中実材料の体積との間の割合は、端面への方向において低減され得る。そのため、より多くの量の中実材料が第1の区域の方向においてより近くに存在し、より小さい密度の構造が第3の区域の方向において格子構造内に提供される。これは、好ましくは加熱された第1の区域のより良好な冷却をさらに提供するために使用されてもよい。
【００６４】
ガスタービン燃焼器の実施形態に戻って、格子構造を通じて案内される冷却流体は、この発明がバーナまたは燃焼器に適用される場合、燃焼帯域へと排出されてもよい。このような構成では、冷却流体は、燃料と混合されることで混合流体が燃焼帯域内で燃焼されるように、燃焼帯域における燃焼のための化学成分として追加的に使用されてもよい。特定の構成では、この冷却流体は、燃焼器のパイロット燃料が燃焼空間へと噴射される領域へと提供されるパイロット空気と呼ばれてもよい。
【００６５】
燃料通路は本体内に組み込まれてもよい。典型的には、流体通路は冷却経路と流体的に分離されたままとなる。格子構造自体は、明確には冷却のために使用される。そのため、燃料と空気との混合は格子構造内で行われない。
【００６６】
本発明は、特にガスタービンエンジン構成部品であるこのような冷却される機械構成部品を製造する方法および動作させる方法にも関する。
【００６７】
格子構造は、付加製造を介して構築される金属または合金から典型的には作られる。このような金属の格子構造は、特に、概ね大きな距離が金属薄板の2つの平行な隆条部の間に生成されるように隆条部が取り付けられている金属薄板から作られた構成と同様と考えられるものではない。格子構造は特に、より柱状の種類のものであって、広がった壁状の種類のものではない数多くの小さい支柱を伴う、はるかにより複雑な構造であり得る。
【００６８】
内筒に隆条部を伴う先行技術の設計と区別するために、1平方センチメートル当たり5本、10本、20本、30本、またはさらには40本の支柱があってもよく、そのため格子構造に多くの数の支柱が存在する。支柱は、明確には例えば二重壁の構成における内筒といったものの別の2つの平行な壁に連結してそれらの壁から離して維持する単なるスペーサではない。支柱の数は、先行技術の設計のスペーサの数よりはるかに多い。
【００６９】
先に指し示したように、本発明は、複数の支柱が対流冷却によって作用されるように冷却流体が空所を通じて提供されるこのような機械構成部品の動作の方法にも関する。特に圧力差のために、冷却流体は、具体的には直交流へと直立する、支柱との直交流を作り出すことで、空所を通じて案内される。
【００７０】
本発明の実施形態は、様々な主題に関連して記載されていることに留意されたい。具体的には、一部の実施形態は装置の種類の請求項に関連して記載されているが、他の実施形態は方法の種類の請求項に関連して記載されている。しかしながら、当業者は、前述および以下の記載から、他に通知されていない場合、ある種類の主題に属する特徴の任意の組み合わせに加えて、異なる主題に関する特徴同士の間の任意の組み合わせ、具体的には、装置の種類の請求項の特徴と方法の種類の請求項の特徴との間の任意の組み合わせが、本出願で開示されるように考えられることを推測することになる。
【００７１】
さらに、例がガスタービンエンジンを参照して以下の部分で開示されており、開示されることになる。本発明は、例えば圧縮機、ポンプ、または蒸気タービンといった任意の種類のターボ機械にも適用可能である。さらに、一般的な概念は、上昇した温度が発生する任意の種類の機械に対してさらにより一般的に適用できる。一般的な概念は、回転する部品に加えて静止した部品にも適用できる。
【００７２】
本発明の先に定めた態様とさらなる態様とは、以後に記載される実施形態の例から明らかであり、実施形態の例を参照して説明される。
【００７３】
ここで本発明の実施形態が、添付の図面を参照して、例だけを用いて記載されている。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明が使用され得る例示のガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】格子構造が具現化され得る例示のバーナヘッドの図である。
【図３】図2に示したようなバーナヘッドのチップ区域、パイロットバーナ区域を示す図である。
【図４】囲い込まれた格子構造および相関する特徴の第1の形態を示す、例示のバーナヘッドの断面を含む斜視図である。
【図５】隠れている特徴部を示すための格子構造を貫いての別の断面での図4の実施形態の図である。
【図６】中実の支柱と中空の支柱との混合を示す代替の実施形態の断面図である。
【図７】図6の実施形態の変形の断面を含む斜視図である。
【図８】格子構造の概略的な三次元の透視図である。
【図９】格子構造と、格子構造を通る局所的な冷却流体の流れとの図である。
【図１０】相互に連結された支柱を伴う格子構造の図である。
【図１１】冷却のための格子構造によって包囲された燃料通路を示す、バーナヘッドを貫いての断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００７５】
図面における図は概略的である。様々な図における同様または同一の要素について、同じ符号が使用されることは留意されている。
【００７６】
特徴の一部、特に利点の一部は、組み立てられて動作するガスタービンについて説明されているが、明らかには、特徴はガスタービンやさらには他のターボ機械の単一の構成部品にも適用でき、しかし、組み立てられて動作中における利点だけを示す可能性がある。しかし、動作中のガスタービンを用いて説明されるとき、その詳細は、動作している間のガスタービンに限定されるべきではない。
【００７７】
すでに言及しているように、本発明は、熱によって作用される様々な機械にも適用できるが、例は主にガスタービンバーナについて説明されている。
【００７８】
ここで図1を参照すると、例示のガスタービン12の概略図が示されている。ガスタービン12(ガスタービンエンジンとも呼ばれる)は、それ自体知られているように、圧縮機13と、燃焼室14と、タービン15と、を備える。このガスタービン12では、例えばパイロットバーナを備えるバーナ11が、燃焼室14の前に配置されている。
【００７９】
圧縮機13は、特に周囲空気である、圧縮機13に提供される流体を圧縮する。圧縮している間、流体の温度は上昇する。それにも拘らず、圧縮された流体は、冷却の目的のために、燃焼室14、バーナ11、またはタービン15において使用され得る。この点において、この流体は、冷却流体または冷却空気と呼ばれてもよい。
【００８０】
具体的には、本発明の実施形態は、図2に示されているようなバーナヘッド70に適用されてもよく、より具体的には、パイロットバーナ区域71に適用されてもよく、パイロットバーナ区域71は、続く図において後でも示されている。このパイロットバーナ区域71は、冷却される機械構成部品1と考えられる。
【００８１】
バーナヘッド70と、特にパイロットバーナ区域71と、に続いて、燃焼帯域16が燃焼室14内の動作の間に成立する。パイロットバーナ区域71は、複数の燃料ノズル3と、冷却流体のための複数の放出ポート42とが存在する端面23を提供する。描写した例では、複数の放出ポート42は群で配置されており、各々の群は横列と縦列とで構造化されている。
【００８２】
図2において先に示したように、非常に類似した端面23は、異なる角度からの図3においても示されている。この図において、視点は燃焼室14からであり、そのためパイロットバーナ区域71の端面23は、円形の輪として現れている。先に示したように、放出ポート42はブロックまたは区間41において配置されている。端面23の下において、パイロットバーナ区域71の本体に組み込まれて、空所の空間35が存在しており、空所の空間35は、外部に視認可能ではないため、破線として示されているだけである。空所の空間35は、以下の図を参照してより詳細に説明されている。図では、異なる大きさとされた空所の空間35が示されており、一部は短い区間を覆うだけであり、あるものはより大きい区間(端面23全体の約1/3)を覆う。代替的に、図3には示していないが、空所の空間35は完全に環状であってもよい。
【００８３】
以下の図のうちのいくつかは、図3において示しているように、線VI-VIに沿って切り取られた断面を少なくとも部分的に示している。しかしながら、以下の図のすべてが正確に同じ数の放出ポート42を示しているとは限らず、一部の図では、放出ポート42は、図3のような横列と縦列とではなく千鳥に配置されていることに留意されたい。
【００８４】
それにも拘らず、以下の図において見られるような構成部品は、図3に示しているようにパイロットバーナ区域71に埋め込まれ得る。
【００８５】
図4に関連して、本発明の主要な特徴がより詳細に説明されている。一部の詳細または代替の解決策のさらなる説明は、連続した図で示されている。
【００８６】
図4では、端面23の区域と、バーナ軸に対する軸方向平面に沿っての断面とを示すパイロットバーナ区域71の区間が示されている。実質的中実の本体2が、本体2の内部を通じて冷却流体を案内するための1つの一体化された冷却経路40を伴って示されており、1つだけの経路が示されているが、これらのうちのいくつかが構成部品全体において存在してもよい。冷却経路40は、複数の入口6と、格子構造(この図では明確に示されていない)を含む空所の空間35と、空所の空間35の出口4と、プレナム室36と、中空の内部32を各々伴う複数の中空の支柱30'と、端面23を穿孔する放出ポート42と、を備える。これらの構成部品すべてが流体システムの一部であり、そのため冷却流体が、端面23の材料を冷却するためにこの流体システムを通じて案内され得る。
【００８７】
放出ポート42は、特に端面23に対して垂直に配置されてもよく、つまり、膜冷却孔を形成しない。本発明の目標は、主に本体2を本体2の内側から冷却することである。
【００８８】
同じ構成が図5においてより詳細に示されており、ここでは空所の空間35を貫くさらなる断面を伴っている。さらに、冷却流体の流体流れが矢印によって示されている。空所の空間35は複数の中空の支柱30'を備えており、それによって格子構造25を形成している。中空の支柱30'は中空の内部32とジャケット33とを各々備える。中空の支柱30'の外部の周りからプレナム室36と中空の支柱30'の内部とを通じての蛇行する局所的な流れ方向が、矢印によって示されている。空所を通る主進行方向43が二重の矢印によって示されている。
【００８９】
見て取れるように、空所の空間35の上流端において、冷却流体は空所の空間35の第1の延在に沿って提供される。結果として、冷却流体は、主進行方向43の方向において効果的に、空所の空間35を通じて曲がりくねって進む。空所の空間35の下流の端および出口4は、空所の空間35の上流の端のように、空所の空間35の第1の延在に沿う拡張された領域である。図によれば、湾曲が出口4において存在し、そのため冷却流体は、主進行方向43が空所の空間35を通る方向と実質的に反対の方向でプレナム室36へと進む。プレナム室36は「空」の室であり、好ましくは支柱がない。プレナム室36の境界壁は実質的に平坦であり得る。代替で、図示していないが、プレナム室36は、中空の支柱30'の内部32へと冷却流体を向かわせることを支援する表面構造を有してもよい。
【００９０】
プレナム室36への連続した入口および中空の支柱30'の内部32の上流端としても作用する空所の空間35の言及した出口4を除いて、プレナム室36はさらなる通路または貫通孔がなくてもよい。
【００９１】
先に定義したようなこのような格子構造25を有することで、冷却効果は向上させられる。冷却流体は、中空の支柱30'の外面および内面に作用する。結果として、本体2の上昇させられた温度が低下させられ得る。この効果は、本体2の言及したすべての要素が互いと一体化され、単一品の構成部品を形成する場合に、金属または合金などの本体の材料が熱を伝導するとき、特に起こる。有利な実施形態では、すべての下位構造を伴う本体2は、特に選択的レーザー焼結または選択的レーザー溶融である付加製造によって製作され、これらの方法は精緻な構造の製作を可能にする。
【００９２】
ここまで、格子構造25は中空の支柱30'から成るだけであった。次の図に描写しているように、追加的に中実の支柱が存在してもよい。
【００９３】
ここで、図6は、先に紹介した構成部品が同じく存在する冷却される機械構成部品1の別の変形の断面図を示している。空所の空間35は先の設計とは異なり、複数の中空の支柱30'と、追加的な複数の中実の支柱30"とを含む。空所の空間35に配置されたこれらの要素の両方が格子構造25を定めている。
【００９４】
この実施形態では、中空の支柱30'は端面23に対して垂直に方向付けられている。中実の支柱30"は中空の支柱30'に対して斜めにされている。支柱30'、30"の周りで空所の空間35を通ってからプレナム室36および中空の支柱30'の中空の内部を通って曲がりくねって進み、その後に燃焼帯域16へと出ていく冷却流体の流れ50が、示されている。
【００９５】
図7は、図5に示したのと同様の図を示しているが、図6で紹介されたような中実の支柱30"を備えている。
【００９６】
この例では、中実の支柱30"は中空の支柱30'より小さい直径を有している。
【００９７】
さらに、中実の支柱30"は、一部の中実の支柱30"が中空の支柱30'への横棒となるように配置されており、つまり中空の支柱30'の隣接する対の間で、中空の支柱30'の延在に対して垂直な連結を定めている。
【００９８】
加えて、一部の中実の支柱30"は、中空の支柱30'が空所の空間35の境界壁80に連結する合流領域おいて中空の支柱30'に連結されるように配置される。例では、中実の支柱30"の他の端は中空の支柱30'のジャケット33の中間領域に連結される。
【００９９】
断面図であるため、図7は、中実の支柱30"が、図示されていない端面23の方向においてどのように続いているかを示していない。一実施形態では、先に説明したのと同じ構成が端面の方向において続いており、そのため中実の支柱30"は別の境界壁(図示していない)に連結され、可及的には再び中空の支柱30'の中間領域において、中空の支柱30'のジャケット33に再び連結される。
【０１００】
支柱30'、30"のより複雑な構成が格子構造25内で提供され得る。
【０１０１】
図8は、さらなる例示の格子構造25が部分的に示されている透視での三次元の概略図を示している。格子構造25自体は、周期的な方法で配置される筒状または錐状の中空の支柱30'によって定められる。さらに、中空の支柱30'は、第1の区域20から離れた位置における一部の横棒を示している。これらの横棒は、ここでも中実の支柱30"である。この例では、空所の空間35における利用可能な空間のほとんど半分が支柱30'、30"の材料によって使用されている。他方の半分は、冷却空気が案内され得るのに通る空所の空間35のままである。
【０１０２】
図8に、燃料ノズル3も再び示されており、燃料ノズル3について、格子構造25は本体の内部で割り込まれてもよい。
【０１０３】
ここで、図9は端面23から見たときの別の格子構造25を貫く断面図を示している。支柱30'、30"は、支柱30'、30"の断面を示す円によって示されている。断面内で網掛けされて示されている中実の支柱30"と、断面における輪の中の網掛けおよび中空の内部によって示されている中空の支柱30'と、はここではすべて互いに平行に配置され、端面23へと方向付けられている。支柱30'、30"の周りを曲がりくねって進む局所的な冷却流体の流れ50が、矢印によって描写されている。さらなる二重の矢印が、格子構造25を通じて概念的な主進行方向43を示している。そのため、格子構造25の空所の空間35は、冷却流体の流れ50によって使用される概ね複雑な冷却経路を概して定めている。図9に示されているように、冷却流体の流体流れは、支柱30'、30"の外面と接触することになり、そのため熱伝達が起こり、支柱30'、30"からの熱は冷却流体の流れ50の冷却流体へと伝えられる。
【０１０４】
図10によれば、格子構造25のさらなる実施形態の変形が概略的な方法で示されている。例では、一対の中実の支柱30"が、空所の空間35の中心において交差する。例では、端面23に対して斜めとされる中実の支柱30"は一端において錐状の形37を有し、錐状の形37は、中実の支柱30"の配向のため、傾斜されている。冷却流体の流れ50は、図10において、冷却流体(つまり空気)が格子構造25の支柱の周りをどのように蛇行する必要があるかを示すために、単に例として示されている。
【０１０５】
この図では、中空の支柱30'のさらなる変形が示されている。この変形では、中空の支柱30'の中空の内部32は、先の記載において示したように筒状のままであり得るが、ジャケット33はここでは錐状であり(先に示した筒状のジャケットの形と異なる)、つまり錐状の形37に従う。これは、端面23から格子構造25への熱伝導を向上させる。したがって、中空の支柱30'のより高温の端は、より大きな外皮表面を有し、そのため冷却流体のためのより大きい衝突の延在を有することができる。
【０１０６】
最後に、図11は、格子構造25を伴う冷却経路が燃料回路8と共に一体に組み込まれる、三次元のバーナヘッドの断面図における実施形態をここでは示している。バーナヘッドは、第1の区域20、第2の区域21、および第3の区域22を有するとして構造化され得る本体2を示している。これらの区域20、21、22は、共通の一体化した物体の一部分である。第1の区域20は高温領域に最も近い、この例では燃焼帯域16に最も近い、本体2の区域である。第1の区域20は、燃焼帯域16を直接的に向いている端面23を備える。第2の区域21は、いくつかの中空および中実の支柱30'、30"によって例示の方法で示されている格子構造25を備える。端面23からさらに離れて、主に冷却経路および流体回路8の埋め込まれた通路を伴う中実の物体である第3の区域22が存在する。プレナム区域21'が、第2の区域21と第3の区域22との間に位置し、プレナム室36を備えている。
【０１０７】
図示した実施形態は、単なる本発明の潜在的な実施の単純化にすぎない。図示した実施形態は、格子構造25と、いくつかの中実の支柱30"と、例としての2つの中空の支柱30'と、を示している。冷却経路への入口6の入口ポートが示されている。冷却経路の最初の内部通路は示されていないが、空所の空間35、プレナム室36、および中空の支柱30'を通る2つの例示の中空の通路は、純粋に例として示されている。冷却システムは、燃料回路8について割り込まれている。燃料回路は燃料ポート5によって送り込まれる。可及的にはパイロット燃料である燃料が、燃料ノズル3を介して排出される。この実施形態によれば、燃料回路8は、冷却経路に連結することなく本体2を通過するだけである。格子構造25は燃料回路8と混じることはない。格子構造25は、単に燃料回路8の領域において阻まれ、その後に継続されるか、または燃料供給領域を周り込んで継続されるだけである。
【０１０８】
端面23は、本実施形態のほとんどにおけるように、全体で実質的に錐状のバーナヘッドの錐状の形に続いていく。バーナヘッドはパイロットバーナとして存在でき、このパイロットバーナを通じて、パイロット燃料およびパイロット空気が、冷却流体として、しかし燃焼のための化学成分としても提供され、パイロット燃料およびパイロット空気は、その後に安定した燃焼のために燃焼帯域において混合され得る。
【０１０９】
この例では、ここでもいくつかの支柱30'、30"だけが示されている。さらに、支柱は、この断面図では見ることができないか、または図面がより良く理解され得るように意図的に省略されている。図11における支柱30'、30"は、支柱30'、30"で棒形状あって全体的に筒状であり、第1の区域20と、プレナム室36と空所の空間35との間の壁とに物理的に連結されている。例における支柱30'、30"は、端面23の表面に対して垂直に配向されるが、斜めにされてもよい。それにも拘らず、図では、中実の支柱30"の一部は、結局は、端面23に対して斜めになる傾斜面に付着されることになる。
【０１１０】
すべての実施形態において、支柱30'、30"は、空所の空間35内に途切れることなく繰り返して分配されるべきである。いくつかの横列または平面の支柱30が存在してもよい。中空の支柱30'の一端は、高温の第1の区域20に連結されるべきである。支柱30'、30"は、典型的には筒状の延在と円形の断面とを伴う棒形状とされるが、錐状部分のような他の変形が含まれ得る。空所の空間35は特に、冷却流体がこの空所の空間35を通じて流れることができるように存在する。そのため、空所35は流体通路として作用する。支柱30'、30"内で使用される材料による空所の空間35の全体の使用は、格子構造25の領域の全体の体積の15%から85%までであり得る。好ましくは、材料の使用の割合は、全体の体積の20%から40%までであり得る。
【０１１１】
他の好ましい範囲は、格子構造25の中実の材料の体積と中空の体積との間の割合として定められ得る。この割合は、好ましくは0.3から2.5の間とでき、特に中空および中実の支柱の混合を伴う格子構造25について0.4から2.0の間とできる。中空の支柱30'だけを使用する場合、好ましい割合は0.5から2.5の間であり得る。
【０１１２】
本体2の構成部品、特に第1の区域20、第2の区域21、プレナム区域21'、および第3の区域22は、金属または合金の材料の単一部品として生成される。この複雑な幾何学的配置(先の図において示しているように)は、三次元印刷とも呼ばれる付加製造によって生成され得る。付加製造についての例は選択的レーザー溶融または選択的レーザー焼結であり、それを介して、層ごとで粉末が表面に適用され、次に固化され、最後に、1つの材料から構築された最終的な単一の構成部品をもたらす。レーザー焼結は、非常に複雑で細かい冷却特徴部を格子構造25に割り当てることができる。機械構成部品1の完全な本体2を付加製造によって1回だけの製作ステップで生成することが好ましい。その結果、一体化した構成部品となる。本発明によれば、鋳造が発明的な概念に該当すると考えられないことに留意されたい。「格子構造」という用語自体は、鋳造によって製作できない非常に複雑な設計を定めると考えられる。図は、単純化されている可能性があり、そのため、格子構造が鋳造によって製作できないことを正確に示してない可能性がある。それにも拘らず、本発明は、特に付加製造技術によって製作される格子構造を伴う構成部品に向けられている。
【０１１３】
先に示した図は、本発明の異なる実施形態を示している。これらの実施形態のすべて、または、実施形態の少なくとも一部は、以下においてまとめられている同様の利点および特徴を有する。
【０１１４】
構成部品の効率的な冷却は、少なくとも複数の中空の支柱が、冷却される表面に付着された状態で、中空の支柱と任意選択の中実の支柱とを含む特定の格子構造を介して得られる。ガスタービンエンジンにおいて具現化される場合、冷却される表面は、典型的には、例えば1300℃から2000℃の間といった燃焼温度に曝される。冷却流体は、例えば350℃から550℃までといった典型的な圧縮機出口温度に対応する。そのため、概ね低温の冷却流体は、構成部品の温度を効率的に低下させることができる。さらに、中空の支柱は、支柱の外側および内側からの冷却を可能にする。加えて、冷却流体が出ていくのは、構成部品の延在にわたって分配される。数が減らされた出口孔を有する代わりに、構成部品の材料をより一層の時間で冷却する複数のより小さい出口孔が存在する。
【０１１５】
格子構造は特にパイロット火炎の近傍における表面に適用され得るが、これは、この場所がガスタービンにおける最も厳しい環境のうちの1つのためである。パイロット火炎は、主火炎または主燃焼帯域を安定させるために存在してもよい。これらの冷却特徴部を提供することによって、熱機械的な疲労から生じる酸化または亀裂を回避できる。
【０１１６】
副次的影響として、格子構造における顕著な量の空所が、構成部材の重量を低減させると共に、材料コストを低減させる。
【０１１７】
本発明は、バーナなどのガスタービン高温構成部品への付加製造された格子構造の適用の組み合わせのため、特に有利である。制限されることなく、本発明は、特に他のエンジンまたはターボ機械といった他の機械にも適用でき、その機械の動作中に高温の表面を冷却することが目的であり、機械の動作のため、熱は機械の内部で主に発生させられる。本発明は、外部源からの熱によって影響されて冷却を必要とする「受動的」な構成部品にも適用できる。
【符号の説明】
【０１１８】
1  冷却される機械構成部品
2  本体
3  燃料ノズル
4  出口
5  燃料ポート
6  入口
8  流体回路、燃料回路
11  バーナ
12  ガスタービン
13  圧縮機
14  燃焼室
15  タービン
16  燃焼帯域
20  第1の区域
21  第2の区域
21'  プレナム区域
22  第3の区域
23  端面
25  格子構造
30'  中空の支柱
30"  中実の支柱
32  内部
33  ジャケット
35  空所の空間、空所
36  プレナム室
37  錐状の形
40  一体化された冷却経路
41  ブロック、区間
42  放出ポート
43  主進行方向
50  冷却流体の流れ
70  バーナヘッド
71  パイロットバーナ区域
80  境界壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成31年4月2日(2019.4.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にターボ機械構成部品である冷却される機械構成部品(1)であって、
本体(2)の内部を通じて冷却流体を案内するための、少なくとも1つの一体化された冷却経路(40)を伴った本体(2)を備え、前記冷却経路(40)は格子構造(25)を備え、前記格子構造(25)は、
複数の中空の支柱(30')によって貫かれた空所の空間(35)として構成され、
前記格子構造(25)の前記空所の空間(35)を通じて案内される前記冷却流体ための、少なくとも1つの入口(6)を備え、
前記格子構造(25)の前記空所の空間(35)を通じて案内された前記冷却流体を受け入れるための、少なくとも1つの出口(4)を備え、
前記少なくとも1つの入口(6)の位置と、前記少なくとも1つの出口(4)の位置と、が前記空所の空間(35)を通る主進行方向(43)を定め、前記少なくとも1つの出口(4)は、前記複数の中空の支柱(30')の少なくともサブセットの中空の内部(32)に流体連結され、各々の中空の内部(32)は、前記本体(2)の端面(23)に位置するさらなる下流の放出ポート(42)において途切れ、
前記複数のさらなる下流の放出ポート(42)の各々を包囲した前記本体(2)の壁が、前記複数の中空の支柱(30')の前記サブセットの対応するジャケット(33)に物理的に連結され、
前記複数の中空の支柱(30')の前記サブセットの各々が、前記空所の空間(35)と前記中空の内部(32)との間で、そのジャケット(33)内において開口がなく、前記端面(23)に対して垂直、または前記端面(23)に対する垂直方向から45°の最大の偏向のいずれかで配置され、
前記複数の中空の支柱(30')の前記サブセットが、前記空所の空間(35)を通る前記冷却流体の前記主進行方向(43)に対して略側方に配向されることを特徴とする、冷却される機械構成部品(1)。
【請求項２】
前記端面(23)は、動作中、前記冷却流体の第2の温度より高い第1の温度に曝され得る、請求項1に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項３】
前記少なくとも1つの出口(4)から、前記複数の中空の支柱(30')のうちの前記少なくとも1つの前記中空の内部(32)への流体連結は、前記少なくとも1つの出口(4)をプレナム室(36)へと連結することによって提供され、前記プレナム室(36)は、前記複数の中空の支柱(30')のうちの前記少なくとも1つの前記中空の内部(32)にさらに連結されることを特徴とする、請求項1または2に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項４】
前記本体(2)と前記格子構造(25)とは、共通の材料から構築された単一部品であることを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項５】
前記複数の中空の支柱(30')と、前記複数の中実の支柱(30")と、前記本体(2)と、は付加製造技術、特に選択的レーザー焼結、選択的レーザー溶融、または電子ビーム溶融を介して生成されることを特徴とする、請求項1から4のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項６】
前記複数の中空の支柱(30')および前記複数の中実の支柱(30")の少なくともサブセットの各々が、棒形状に構成されることを特徴とする、請求項1から5のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項７】
前記中実の支柱(30")の少なくとも第1のサブセットの各々が、前記中空の支柱(30')のうちの隣接するもの、特に前記中空の支柱(30')のうちの交差するものに対して斜めにされることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項８】
前記複数の中空の支柱(30')と前記複数の中実の支柱(30")とは、周期的な構造を定めることを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項９】
前記空所の空間(35)の領域において、中実材料の体積と前記格子構造(25)の中空体積との間の割合は、0.3から2.5の間であり、特に0.4から2.0の間であることを特徴とする、請求項1から8のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項１０】
前記本体(2)は複数の区間(41)を含み、各々の区間(41)は、前記少なくとも1つの一体化された冷却経路(40)の単一の冷却経路を提供し、該冷却経路は、さらなる区間(41)に位置した前記少なくとも1つの一体化された冷却経路(40)のさらなる冷却経路から流体的に分離されていることを特徴とする、請求項1から9のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項１１】
前記区間(41)の各々は複数の放出ポート(42)を備え、各々の放出ポート(42)には前記複数の中空の支柱(30')のうちの1つだけから冷却流体が提供されることを特徴とする、請求項10に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【手続補正書】
【提出日】令和1年5月16日(2019.5.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却される機械構成部品(1)であって、
本体(2)の内部を通じて冷却流体を案内するための、少なくとも1つの一体化された冷却経路(40)を伴った本体(2)を備え、前記冷却経路(40)は格子構造(25)を備え、前記格子構造(25)は、
複数の中空の支柱(30')によって貫かれた空所の空間(35)として構成され、
前記格子構造(25)の前記空所の空間(35)を通じて案内される前記冷却流体ための、少なくとも1つの入口(6)を備え、
前記格子構造(25)の前記空所の空間(35)を通じて案内された前記冷却流体を受け入れるための、少なくとも1つの出口(4)を備え、
前記少なくとも1つの入口(6)の位置と、前記少なくとも1つの出口(4)の位置と、が前記空所の空間(35)を通る主進行方向(43)を定め、前記少なくとも1つの出口(4)は、前記複数の中空の支柱(30')の少なくともサブセットの中空の内部(32)に流体連結され、各々の中空の内部(32)は、前記本体(2)の端面(23)に位置するさらなる下流の放出ポート(42)において途切れ、
前記複数のさらなる下流の放出ポート(42)の各々を包囲した前記本体(2)の壁が、前記複数の中空の支柱(30')の前記サブセットの対応するジャケット(33)に物理的に連結され、
前記複数の中空の支柱(30')の前記サブセットの各々が、前記空所の空間(35)と前記中空の内部(32)との間で、そのジャケット(33)内において開口がなく、前記端面(23)に対して垂直、または前記端面(23)に対する垂直方向から45°の最大の偏向のいずれかで配置され、
前記複数の中空の支柱(30')の前記サブセットが、前記空所の空間(35)を通る前記冷却流体の前記主進行方向(43)に対して略側方に配向されることを特徴とする、冷却される機械構成部品(1)。
【請求項２】
前記端面(23)は、動作中、前記冷却流体の第2の温度より高い第1の温度に曝され得る、請求項１に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項３】
前記少なくとも1つの出口(4)から、前記複数の中空の支柱(30')のうちの前記少なくとも1つの前記中空の内部(32)への流体連結は、前記少なくとも1つの出口(4)をプレナム室(36)へと連結することによって提供され、前記プレナム室(36)は、前記複数の中空の支柱(30')のうちの前記少なくとも1つの前記中空の内部(32)にさらに連結されることを特徴とする、請求項１または２に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項４】
前記本体(2)と前記格子構造(25)とは、共通の材料から構築された単一部品であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項５】
前記複数の中空の支柱(30')と、複数の中実の支柱(30")と、前記本体(2)と、は付加製造技術を介して生成されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項６】
前記複数の中空の支柱(30')および前記複数の中実の支柱(30")の少なくともサブセットの各々が、棒形状に構成されることを特徴とする、請求項５に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項７】
前記中実の支柱(30")の少なくとも第1のサブセットの各々が、前記中空の支柱(30')のうちの隣接するものに対して斜めにされることを特徴とする、請求項５または請求項５に従属した請求項６のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項８】
前記複数の中空の支柱(30')と前記複数の中実の支柱(30")とは、周期的な構造を定めることを特徴とする、請求項1から7のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項９】
前記空所の空間(35)の領域において、中実材料の体積と前記格子構造(25)の中空体積との間の割合は、0.3から2.5の間であることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項１０】
前記本体(2)は複数の区間(41)を含み、各々の区間(41)は、前記少なくとも1つの一体化された冷却経路(40)の単一の冷却経路を提供し、該冷却経路は、さらなる区間(41)に位置した前記少なくとも1つの一体化された冷却経路(40)のさらなる冷却経路から流体的に分離されていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【請求項１１】
前記区間(41)の各々は複数の放出ポート(42)を備え、各々の放出ポート(42)には前記複数の中空の支柱(30')のうちの1つだけから冷却流体が提供されることを特徴とする、請求項１０に記載の冷却される機械構成部品(1)。
【国際調査報告】
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